Energy Sector (B2B)
| I.O.T. Powering The Digital Economy
聯網產品廠商宣稱到了2020年，將有多達五百億台裝置可連上互聯網。這類裝置相互搭配運作，傳送數據至雲端型應用程式，透過海量數據分析來實現價值，這樣的願景就是所謂的物聯網（IoT）。
由於大量的智慧電子裝置（IED）部署於變電所及配電網路，因此各界經常將能源產業，視為實現物聯網理所當然的機會與目標。
不過，能源產業本身存在各種挑戰。本文將探討實作物聯網的各項技術及標準，對比能源產業目前使用的項目，討論包含大量裝置的智慧電網項目期間，發現的各項挑戰，並提出物聯網及其基礎技術，提供的若干契機。
物聯網這個名詞，聽起來像是最新的技術浪潮，不過其實早在1999年就已經出現；當時研究人員的想法，是利用RFID卷標追蹤大型的物體網路。
這項概念演進發展，大量導入智能連網裝置，而Cisco（思科）這家主要的連網設備廠商，目前將物聯網定義為物體（也就是「物」）連網數量超越人口數的時間點。Cisco甚至預測到了2020年，將有500億台裝置連上互聯網。
這類裝置相互搭配運作，傳送數據至雲端型應用程式，透過海量數據分析來實現價值，這樣的願景就是現今所謂的物聯網。
雖然此項願景通常與連網消費性產品有關，但也進軍其他領域，例如目前的工業物聯網（IIoT），利用現場或廠房的數千個傳感器提供數據，即時達到最佳生產力及資源使用率，進而實現工業4.0全新工業革命。
本文將探討IoT的各項承諾，實作IoT的各項技術和標準，再對比能源產業已經使用的項目，探討智慧電網項目期間，發現的各項挑戰；文中也將討論如何擷取，及使用現有應用的數據，並仍能符合關鍵基礎設施的安全需求。
物聯網的崛起
物聯網定義相當混亂，其中包含大量的應用和技術。連網裝置、自動化和軟體的各大廠商都加入了這一波浪潮，各界不斷大肆宣傳這項新型商業契機的作法，使得IoT定義的釐清，更加困難。此外，物聯網說明內容一般維持在大方向，很少有人從技術層面切入，探討如何建構IoT實現所有效益。
標準開發組織（SDO）已經組成工作小組，以提出IoT的正式架構。例如IEEE已經建立IoT計劃，將其定義為「由各個內嵌傳感器的連網項目所組成的網路」。其中已經提出140項以上的相關標準和項目，並組成IEEE P2413工作小組，負責定義架構，並理清各IoT領域、其抽象概念和共通處。
P2413工作小組已經提出下列IoT領域：居家和建物、零售、能源、製造、行動及運輸、物流、媒體、醫療保健。P2413以大方向為原則，將架構定義為三個層級，包含應用、網路和數據通訊、感測。
由於大量的智慧電子裝置（IED），部署於變電所及配電網路，因此各界經常將能源產業，視為實現IoT理所當然的機會目標。不過，討論內容通常局限於，AMI及「智慧」溫控等常見應用。可惜的是，大多未能提及能源產業，在智慧電網項目中，透過本身連網裝置標準型架構，所汲取的豐富寶貴經驗。
以下將詳細探討各項IoT概念，說明其中牽涉的技術，並就智慧電網計劃的工作成果來闡述。
IoT的基礎概念，是傳感器網路，將傳送數據至各項應用程式，以便為組織或個人創造價值。一般是假設各個傳感器將獲派獨一無二的地址，而數據會透過公共互聯網基礎設施，傳輸至雲端型應用程式。不過，如果有500億個裝置要直接連網，就需要大幅改變裝置尋址的方式。
互聯網通訊協議原本是設計為研究項目，使用32位的尋址空間，這在當時並不構成問題。此外，地址原本的分配方式相當浪費，造成目前IP地址空間耗盡，在使用目前版本互聯網通訊協議IPv4的情況下，已經沒有未指派公共IP地址的區塊。
到目前為止，這項限制並未阻止互聯網成長，因為大部分電腦和連網裝置，並不需要公共IP地址，而是使用私人IP地址，透過執行網路地址，轉換（NAT）的路由器存取互聯網。NAT不僅降低對個別公共地址的需求，也提供安全層，只有對外的路由器具有公共IP地址，而無法由外部直接存取私人地址，範圍之中的裝置或電腦。
然而，必須要有使用更大的地址空間，才有可能實現500億台個別尋址裝置的IoT願景。新版標準也就是所謂的IPv6，使用128位尋址空間，理論上能夠提供2128或約3.4×1038個地址，足以因應所有可預見的應用需求。
現代電腦操作系統一般可支持IPv4及IPv6，不過，製程控制、自動化及保護使用的IED，一般並不支持IPv6。這類裝置可執行特定作業，滿足非常嚴峻的成本要求及環保規範。為因應這類要求所使用的電子裝置，只能提供非常有限的運算能力和內建記憶體。
此外，裝置設計人員將重點放在裝置功能，通常僅實作最低限度的通訊及安全功能。在自動化領域中，基本上已採用網路聯機技術，來取代點對點接線。系統之中的裝置可透過網路互相通訊，不過一般並無法向外聯機至互聯網。
雖然未來裝置廠商最終將轉移至IPv6尋址，但關鍵基礎設施的組織，絕對會繼續控制及限制存取其現場裝置。安全從業人員一般認為，使用公共互聯網與現場裝置通訊，會帶來嚴重的網絡安全及服務品質（QoS）疑慮。
定義能源標準 以提升通訊可靠度
能源產業透過變電所自動化，及智慧電網項目，獲得通訊技術和通訊協議方面的豐富經驗。就變電所而言，通訊特性為裝置對裝置，其中的關鍵需求為可靠性、低延遲及決定性行為。
在能源產業方面，IEC 61850標準已定義架構保護裝置，其基礎為使用乙太網路傳輸抽樣值，及GOOSE訊息。乙太網路可提供快速的裝置對裝置通訊，並支持優先級及QoS。不過即使有了以上功能，其非決定的特質仍然招來質疑。
SCADA/RTU應用特性，可歸類為裝置對伺服器，其時間要求並不像保護那麼嚴格。這在能源產業是透過DNP3、IEC 61870－5－101/104及IEC 61850等通訊協議處理，透過各種LAN及WAN通訊網路傳輸。
即使其特性可歸類為裝置對伺服器，AMI應用的時間要求寬鬆許多。其中一項關鍵差異，是AMI控制功能，一般不需要即時響應。SCADA用於控制電氣設備，因此需要能夠提供可靠，及可預測行為的通訊基礎設施。另一方面，AMI等應用執行的控製作業非常少。
大部分作業包含定期讀取電表讀數，電表斷線的控制要求非常少。因此AMI系統，一般使用各種不同的通訊技術，從電力線載波（PLC）到各種無線方式，其中許多具有高延遲和低頻寬等問題。
這類通訊技術連接至公用設施時，大多利用實作場域網路（FAN）的數據集中器，作為網路閘道器（Gateway）連往公用設施廣域網（WAN）。智慧電網計劃也確認及提出，各種不同標準和通訊協議，其中包括IEC 61850。
雖然能源產業中，裝置對裝置、裝置對伺服器通訊協議，均已充分定義且使用普遍，但是在提供標準化數據，給商業應用方面的成果比較少。即使CIM和IEC 61850已提供互操作性基礎，智慧電網應用大多仍於專屬的廠商獨立環境運作。
通訊協議
在互聯網和自動化系統之中，執行數據擷取的方式大不相同。一般來說，SCADA/RTU仍然主宰，自動化領域的機器對機器通訊。電力產業使用的數據擷取通訊協議，一般為主機/從機或客戶端/伺服器。SCADA主機（客戶端）聯機至裝置，並定期輪詢數據。
RTU等裝置及網路閘道器，一般會由大量實體點集中數據，透過IED直接聯機或提供。實作從機（伺服器）的裝置，聽取傳入的聯機要求，建立通訊會話，然後聽取數據讀取要求及控制作業。這是所有常見通訊協議使用的方式，包括Modbus、DNP3、IEC 61870－5－101/104及IEC 61850。
現代通訊協議也支持時間戳、數據品質，及主動提供報告等功能，以減少延遲及頻寬。一旦建立通訊會話，裝置就可在掃描作業間的空檔，回報數據變更。
以上所述的所有通訊協議，均設計在各種通訊技術，提供可靠作業，包括低頻寬和不可靠的傳輸。現代通訊協議也能導出裝置點列表，以促進互操作性。
在工業層級方面，OPC UA通訊協議取代舊型OPC，是IIoT理想選擇。這項客戶端/伺服器通訊協議，不再綁定Microsoft Windows操作系統，而提供安全性功能，支持Web服務接口及資訊模式，目前定義為IEC 62541。
不過，以上通訊協議，均未使用於IT、Web和互聯網應用。前述應用使用完全不同的通訊協議系列。雖然Web採客戶端/伺服器方式，但依據的架構不同，且使用的是無聯機的HTTP通訊協議。Web瀏覽器聯機至伺服器，傳送讀取或寫入要求，然後關閉聯機。Web服務器並不會追蹤記錄聯機。這種方式提供可擴充性，可同時容納非常大量的客戶端。
HTTP及其安全版本的HTTPS，正透過使用所謂「Web服務」的方式，增加在機器對機器通訊之中的使用情形。由於有越來越多裝置，內建Web伺服器進行設定和監控，因此也加入可編程接口，使用具象狀態傳輸（REST）接口，支持存取裝置數據和設定。基本上這是以HTTP/HTTPS，來交換結構化為XML或JSON訊息的數據。
比較緊密/鬆散結合架構
客戶端/伺服器相當適合自動化應用，因為系統架構獲得妥善定義，並且非常穩定。SCADA主機使用RTU、網路閘道器和IED的地址和點列表預先設定，RTU及網路閘道器，則使用裝置的地址和點列表預先設定。架構因此得以緊密結合，所有裝置可安全有效地交換即時數據。不過，若要新增新裝置，就必須更新系統設定。
客戶端/伺服器的替代方案為發佈/訂閱方式。在這類架構中，只要裝置有需要報告的數據或事件，就會主動發佈訊息。有一種特殊類型的伺服器會負責代理，管理消息隊列，將其組織為各個主題。
客戶端應用程式訂閱主題，以便接收數據；使用發佈/訂閱及訊息，將產生鬆散結合的架構。新裝置可輕鬆新增至系統，並開始在特定主題發佈數據。
客戶端應用程式將接收數據、識辨數據源自新裝置，然後依此調整本身架構。顯然就網路安全及互操作性能力而言，管理鬆散結合架構本身，就存在著各種挑戰。
最常見的IoT願景是，鬆散結合的裝置，及傳感器網路，透過傳訊架構發佈數據，使用各種Web服務及傳訊通訊協議，例如消息隊列遙測傳輸（MQTT）、受限應用協議（CoAP）、數據分配服務（DDS）、進階消息隊列協議（AMQP）。
除了AMQP以外，以上大部分通訊協議，都尚未普遍使用。
AMQP通訊協議用於金融業，支持交易模式，因此更為複雜，不適合用於邊緣裝置。就我們所知，以上通訊協議都未用於能源產業的自動化系統和裝置。
在電力產業及IEC 61968標準的通用資訊模型（CIM）之中，已提案納入使用傳訊架構。使用傳訊可在裝置和企業應用程式之間建立橋梁；這兩者運作環境的需求完全不同。
其中Intel已經提出物聯網網關開發平台，支持各式各樣的通訊技術，並提供軟體支持傳訊通訊協議及安全性。這類裝置可鏈接這兩種不同環境。
不過為了實現真正的互操作性，裝置和應用程式，也必須共享通用數據模型，這就是IEC 61850和CIM為電力產業完成的成果。
物聯網的一大挑戰，就是要理解傳感器產生的大量數據。廠商推動的願景，是讓大量裝置和傳感器共同運作，提供數據給精密的軟體應用程式。
不過，為達成以上願景，應用程式需要瞭解數據意義，也就是所謂的語義學。傳感器讀取的是電壓還是溫度？溫度是攝氏或華氏度數？比例系數為何？
為了達到互通目標，裝置需要發佈自己的數據模型，而軟體應用程序則需要依此自行設定，基本上實作所謂「即插即用」的模式。
能源產業透過IEC 61850及CIM，在數據建模和電力網路「物」的語義方面，具有強大的領先優勢。不過，可以發現願景仍未完全實現，IEC 61850所提供的，大多只有相同廠商裝置之間的互操作性。
雲端運算
前幾節我們探討裝置如何通訊及產生數據，以便由應用程式處理。IoT承諾的各項效益，將透過應用程式實現，使用前述數據產生各種寶貴資訊。
不過，企業應用程序相當昂貴，組織面對的挑戰，正是要負擔高額成本來部署，及維護這類應用程式。廠商持續演進發展各項應用程式，新增各種全新功能，滿足市場及客戶需求，不過組織根本無法負擔如此迅速的變更，「如果沒壞，就不要修。」
IoT其中一大基礎是雲端運算，這勢必能解決許多以上挑戰。美國國家標準與技術研究院（NIST），將雲端運算定義為「可實現普遍、便利、隨需的網路存取模型，取得共享的可設定運算資源集區（例如網路、伺服器、儲存設備、應用程式及服務），能夠以最少的管理工作，或服務供貨商互動迅速布建及發行。」
收集裝置和傳感器數據的應用程序，需要的磁盤儲存容量持續增加。透過進階分析處理此類資料，從中擷取寶貴資訊和趨勢的作法，需要豐富的運算功能。維護應用程式及安裝各種更新，因應錯誤或安全問題，所需的IT資源可能無法取得，對於規模較小的公用設施更是如此。
雲端運算平台提供兩種效益：受管理的基礎架構服務及軟體架構，簡化開發大規模應用程式。雲端運算建構於現代系統的虛擬化功能，向組織提供隨需運算及儲存功能，並透過使用容錯系統及分散各地的數據中心，確保提供高可用性。
最重要的是，雲端運算可確保，即時套用各項更新及修補程式。雲端運算提供各式各樣的服務模式，因應不同的使用情況：軟體即服務（SaaS）、平台即服務（PaaS）、基礎架構即服務（IaaS）。
SCADA、DMS、EMS及FLISR等公用設施應用程序，對公共設施營運相當重要，因為這類應用程式操作遠端裝置，管理傳輸或配電系統，是關鍵基礎設施的一部分。因此這類應用程式的可靠性及安全性要求非常嚴苛，一般由公用設施IT團隊，部署於高度安全的公用設施數據中心。
NERC CIP等網路安全架構及標準，要求系統營運商實作可稽核的安全控制功能。在公用設施數據中心內部，部署及維護應用程式較為昂貴，因此提供了公用設施，可完全稽核的控制功能，規定可以使用應用程序的對象，以及如何管理數據和裝置存取。
雲端運算廠商主張自己提供的安全性層級，能夠因應所有適用需求。不過，如果在雲端部署應用程式，公用設施IT及網路安全團隊，就必須仰賴第三方，喪失本身部分的控制能力。
然而，對重要性較低的應用程式和組織而言，雲端提供的重大效益，可能比喪失控制能力更為重要。雲端也能讓規模較小的公用設施，存取在其他方面，無法負擔使用的應用程式。
公用設施可利用多重層級方式及私有雲端，享有雲端型解決方案的各種好處，同時也能兼顧安全性。公用設施可以選擇管理本身內部的數據擷取應用程式，由自己的私有裝置網路收集數據，並使用網路伺服器應用程式，將數據推送至雲端型應用程序進行處理。
網路安全為IoT首要之務
網路安全必須成為物聯網的基本特性。然而，安全從業人員多半將IoT視為正在發生的災難事件。500億台裝置聯機公共互聯網的願景，將引發各界嚴重疑慮，擔心惡意軟體、大規模殭屍網路，以及阻斷服務（DDOS）攻擊等事件普遍散布。
研究人員不斷發現內嵌式裝置的弱點，例如車輛因為內建電鬧網路而遭到竊取、節律器及胰島素泵遭到入侵、智慧電視殭屍網路等等。網路安全從業人員，將此歸咎於裝置製造商注重提供產品功能，但其安全技術仍十分有限。
IEEE P2413工作小組，已經成立子工作小組，處理網路安全問題，並瞭解所謂的四大信任要素（Quadruple Trust）：保護、保全、隱私及安全。小組已經深入探討安全性問題，並將其作為主要原則。
能源產業再次因為領先發展而受益，網路安全一開始就是智慧電網計劃的關鍵要求，且已投入大量心力，定義各項已於報告正式提出的需求，例如智慧電網路安全的NIST 7628準則。雖然這類準則，並未因應IoT本身，但確實針對能源產業的各項應用，定義網路安全要求，涵蓋發電廠到客戶場所。
此外，許多公用設施必須達到NERC CIP網路安全標準，並由此獲得保護資產的寶貴經驗。基本上，關鍵資產必須隔離，獨立於安全的網路區域，並且必須將區域之間的網路流量，加以限制，僅提供給獲得授權及驗證的實體；因此，深度架構必須採取分層防禦。
達成保護、保全、隱私及安全的NIST四大信任要素，需要使用密碼，並因應其中產生的所有主要關鍵挑戰。可用的分布式隨需運算資源持續增加，引起各界疑慮擔心加密密鑰，遭到暴力攻擊法破解，因此要求使用更強大的密鑰，以及更強大的裝置。在私有網絡隔離裝置，也可能是解決方案。
管理裝置生命週期
連網裝置管理仍會是需要因應的挑戰，開發應用程式和策略支持完整的裝置生命週期，是降低所有連網「物」整體，擁有成本（TCO）的必要措施。目前有許多布建、調試、更新及棄置作業，仍需要由高度合格人員手動執行。
在這方面，建立IoT的IT領域大幅領先。連網裝置廠商提供網路管理軟體（NMS）支持其裝置。不過，這類軟體一般用於支持單一廠商裝置，執行非常充分定義的功能。
目前正在努力定義標準接口，規定哪些裝置可以發佈本身功能，並以編程方式管理。只是開發通用管理平台仍是挑戰，甚至在經濟考慮上也不太可行。
結論
本白皮書試概述實作物聯網的部分現有技術，以及與能源產業現行努力成果的相關性。
物聯網將站穩腳步繼續發展，參照Gartner技術成熟度曲線（Gartner Hype Cycle），可表示IoT願景的觸發因素，是廣泛採用的互聯網，以及依據通用網體聯機技術不斷增加的聯機裝置。IoT目前處於「期望膨脹的高峰期」（Peak of Inflated Expectations）。工業及電力產業的所有主要廠商，目前都推出 IoT 計劃並推動其願景。
我們已經瞭解物聯網，已自然地連結到能源產業的現行努力成果。裝置及傳感器大量部署，協助管理電力基礎設施。雖然這類裝置，可能絕對不會透過公共互聯網連網，但其數據可利用IEC 61850及CIM加以結構化及建模，並使用傳訊技術和Web服務在企業層級交換。
進階軟體應用程式，可利用雲端型平台提供的功能加以開發，以便提供公用設施各項寶貴資訊，實現優化作業。不過，以上解決方案可，能將以私有雲端為基礎，並含有透過安全Web接口及Web服務型API公開的數據子集。
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